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Espériences avec
ACIDES ET BASES

G. Carboni, mai 2003
Traduction de Caroline Varin, février 2007

 


 

SOMMAIRE

Introduction
Précautions
Une réaction chimique
Acides, Bases et pH
Mesures de pH
Jus de chou rouge
Déterminez le pH de certaines solutions
Échelle de teinte avec le chou rouge
Est ce magique?
Indicateurs colorés
Quel est le degré d'acidité de ce vinaigre?
Le pH des savons
A la recherche d'indicateurs naturels
Conclusion
Bibliographie


INTRODUCTION

Nous allons faire quelques expériences simples de chimie pour acquérir des notions sur les acides et les bases. Nous allons voir comment mesurer l’acidité de composés, nous allons connaître certains indicateurs d’acidité, fabriquer du papier pH, doser l’acidité d’un vinaigre, nous chercherons également des indicateurs naturels d’acidité, et nous établirons la gamme de couleur d'un indicateur en fonction du pH.

Dans la plupart des cas, nous travaillerons avec des composés de la vie courante, mais nous utiliserons également des composés achetés spécialement pour nos expériences. Les expériences que nous allons décrire sont aptes à être réalisées en classe, mais peuvent aussi être effectuées à la maison. La surveillance d'un adulte est indispensable. Les difficultés dépendent de l’expérience, et il est important que les parents ou l’enseignant choisissent l’expérience qui sera réalisée et adaptent les explications à leurs élèves.


PRÉCAUTIONS

Ne jamais utilisez des substances dangereuses. Évitez d’utiliser des acides et des bases fortes. Ne mettez jamais des produits chimiques dans des récipients alimentaires (i.e. : tasses, verres, bouteilles, etc.) parce qu’ils peuvent être confondus avec des boissons ou de la nourriture. Ne laissez jamais des produits chimiques dans la maison, mais travaillez dans une pièce comme un laboratoire, un cellier, ou un garage. À la fin des expériences videz les bécher et lavez les. Placez les flacons de substances restantes que vous voulez garder dans un endroit approprié, hors de protée des enfants. Marquez sur les flacons le nom de la substance contenue à l’intérieure, et sa toxicité. Si vous travaillez avec de l'hydroxyde de sodium ou avec de l'ammoniac, mettez des lunettes, des gants et une blouse. Si vous utilisez de l’ammoniaque, travaillez au grand air ou dans une pièce aérée, fenêtres ouvertes. Des que vous avez prélevé la quantité d’ammoniaque requise, fermez le flacon. Les enfants doivent garder 2 m de distance et se placer dans le sens du vent. Un adulte doit toujours être présent pendant les expériences pour éviter tout danger. Dans tous les cas, nous dégageons toutes responsabilités. Pour ce qui est des issues de secours et des responsabilités engagées, nous vous prions de lire notre page de recommandations.

Vous pouvez acheter les produits chimiques et l’équipement de laboratoire nécessaires pour ces expériences dans des magasins qui vendent des articles pour laboratoires de chimie. Souvent, ces magasins sont situés à proximités des universités. Soyez prudent et amusez vous bien.


UNE RÉACTION CHIMIQUE

Cette première expérience permet d’introduire la notion de réaction chimique et peut être également réalisée à l’école élémentaire. Elle permet de faire comprendre aux enfants comment les composés acides réagissent sur les composés basiques. Dans un demi verre d’eau, placez une cuillère à thé de bicarbonate de soude et mélangez de manière à obtenir une solution relativement concentrée. Dans le même verre ajoutez une cuillère de vinaigre. Comme vous pouvez le constater il va y avoir une grosse abondance de mousse (figure 2).

Que se passe-t-il ? Une réaction chimique a lieu entre le bicarbonate de soude (substance basique) et le vinaigre (substance acide). Ces deux composés réagissent ensemble pour former un sel, de l’eau et du dioxyde de carbone, qui est le gaz qui produit les bulles observées. En général les composées acides et basiques réagissent entre eux pour former un sel et souvent d’autres produits comme l’eau et le dioxyde de carbone. Si vous voulez rendre la réaction plus active utilise de l’eau chaude (mais pas brûlante). Le sel produit par cette réaction est un acétate de sodium:

 CH3COOH + NaHCO3 = CH3COONa + H2O + CO2

CH3COOH NaHCO3 CH3COONa H2O CO2
Acide acétique Bicarbonate de soude Acétate de sodium Eau Dioxyde de carbone

Figure 2 - Réaction chimique entre le bicarbonate de soude et le vinaigre.


ACIDES, BASES ET pH

Il existe des millions d’espèces chimiques dans le monde. Certaines d’entre elles ont des propriétés acides et d’autres basiques. Les Acides sont des composés qui libèrent des ions hydrogènes (H+), quand ils sont mélangés avec de l’eau. Les Bases sont des composés capables de libérer des ions hydroxydes (OH-) quand ils sont mélangés avec de l’eau. (Cette libération d’ions s’appelle dissociation dans les deux cas). Les ions hydroxydes libérés réagissent avec les ions hydrogènes libérés pour former des molécules d’eau: H+ + OH- = H2O. De cette manière les bases réduisent la concentration en ions hydrogène. Une solution riche en ions hydrogène est acide, et une solution pauvre en ions hydrogène est basique. Certains acides ne se dissocient qu’en partie, et sont appelés acides faibles. D’autres se dissocient complètement libérant de grandes quantités d’ions hydrogène et sont appelés acides forts. De manière analogue une base peut-être forte ou faible. Les acides et les bases diluées sont moins concentrés et moins agressifs dans leur action. Le degré d’acidité ou de basicité des composés est mesuré en unité de pH. L’échelle utilisée va de 0 à 14. Les composés ayant un pH inférieur à 7 sont considérés comme acides, ceux avec un pH égal à 7 sont considérés comme neutres, et ceux qui ont un pH supérieur à 7 sont considérés comme basiques. Plus le pH est faible plus le composé est acide, et plus le pH est élevé plus le composé est basique. Les acides et les bases très concentrés sont très corrosifs et dangereux.

(La description suivante est destinée à des étudiants de grande école).

Le pH est la mesure de la concentration en ion hydrogène dans la solution. Comme cette concentration peut varier de plusieurs ordres de grandeur, il est plus pratique d’exprimer le pH en logarithme en base 10. Comme ces concentrations sont toujours inférieures à 1, son logarithme présente toujours un signe moins.
Pour éviter d’avoir toujours à écrire le moins, il a été établi que cette valeur s’écrirait avec le signe positif. Donc le pH est l’opposé du logarithme de la concentration en ions hydrogène : pH = - log[H+]. Ainsi plus le pH diminue plus la concentration en ions hydrogènes augmente.

L’eau distillée a un pH = 7. Donc comment est ce possible que l’eau distillée possède des ions hydrogène ? Leur présence est due à la dissociation occasionnelle de certaines molécules d’eau à cause de l’agitation thermique (H2O ß à H+ + OH-). Immédiatement après, ces ions se recombinent, mais d’autres molécules se dissocient en gardant ainsi un équilibre constant de certaines concentrations de molécules dissociées.


MESURES DE pH

Il existe des substances qui ont la propriété de changer de couleur quand elles sont en contact avec un environnement acide ou basique. Ces substances sont appelées indicateurs colorés. En général, ils sont utilisés en tant que substance dissoute, comme par exemple la phénolphtaléïne, et le bleu de bromothymol. Souvent pour mesurer le pH, des papiers spéciaux qui ont été imbibés d’indicateurs sont utilisés. Ces papiers changent de couleur quand ils sont immergés dans des liquides acides ou basiques. C’est le cas du fameux papier tournesol (figure 3). Plus récemment, il est devenu possible de mesurer le pH avec des instruments électriques comme le pH-mètre (figure 4).

Papier tournesol.
Le tournesol est une substance obtenue avec certains lichens. Il a la propriété de devenir rouge en présence d’acide et bleu en présence d’une base. Sur les paquets de papier tournesol, il y a une échelle de couleur qui permet de faire correspondre une couleur à une valeur de pH (figure 3).

Utilisation du papier tournesol:
L’utilisation du papier tournesol est simple. Avant tout, il est nécessaire d’immerger un bout de ce papier dans le liquide que vous voulez analyser et de le retirer immédiatement. Le pH de la solution est déterminé en comparant la couleur du papier avec celle proposée par l’échelle sur le paquet (figure 3).

 


Figure 3 – Papier tournesol.
En haut un morceau trempé dans du bicarbonate de soude.En bas, un morceau trempée dans du vinaigre.

 

Le pH-mètre est un instrument électronique muni d’une cellule particulière sensible aux ions hydrogènes présents dans la solution testée. Le signal produit par la cellule est amplifié et envoyé à un cristal liquide ou un système d’affichage similaire. Sur le marché il est facile de trouver des pH-mètres qui coûtent 30 €. Ces instruments sont beaucoup plus précis et pratiques que le papier indicateur.

Préparation du pH-metre.
Avant de l’utiliser, cet instrument doit être vérifié et si nécessaire étalonné. Dans ce but, l’électrode de l’appareil est immergée dans des solutions tampons appropriées au pH bien connu. Généralement, ces solutions sont fournies avec l’appareil à son achat, mais elles peuvent aussi être achetées séparément ou préparées dans ce but. Si l’appareil ne donne pas la valeur exacte indiquées sur ces solutions, il peut être réglé par le biais de deux potentiomètres : un pour le déplacement et un pour le gain. En général, pour régler l’instrument il suffit d’utiliser une solution tampon de pH = 7.


Figure 4 - pH mètre.

En référence, à la réaction chimique que nous avons décrite, avec un papier tournesol mesurez le pH de la solution saturée de bicarbonate de sodium, celui du vinaigre, et celui de la solution qui résulte de leur réaction. Si vous en avez un, faites les mêmes mesures avec un pH – mètre.


JUS DE CHOU ROUGE

Comme nous l’avons vu précédemment les acides et les bases ont la propriété de changer la couleur de certaines substances. C’est le cas du jus de chou rouge. Ce liquide a une couleur bleu violet, mais quand il est en contact avec un composé acide, il devient rouge, alors qu’en contact avec un composé basique il devient vert et parfois même jaune. Regardons comment il est possible d’utiliser le jus de chou rouge pour mesurer le pH de certaines substances.

Figure 5 – chou rouge

Figure 6 – Coupez le chou en
lamelles et placez les dans un pot.

Figure 7 – Ajoutez de l’eau pour couvrir
 les lamelles et faites bouillir pendant
une demi heure.

Figure 8 – versez le jus dans
un récipient suffisamment grand.

Pendant l’hiver et le printemps il est facile de trouver du chou rouge au marché ou chez le producteur. C’est un chou qui a une couleur rouge violet (figure 5). Achetez-en un et coupez-le en fines lamelles (figure 6). Mettez les dans un pot et couvrez les avec assez d’eau (figure 7). Faites bouillir pendant une demi heure, puis coupez le feu et laisser revenir à température. Mettez le liquide bleu violet obtenu dans un grand récipient (figure 8). Les lamelles de chou rouge bouillies sont comestibles, et vous pouvez les utiliser dans une recette de cuisine.

Utilisation du jus de chou rouge comme un indicateur coloré d’un composé liquide.
Mettez quelques gouttes de ce liquide sur une surface blanche et observez les changements de couleur lorsqu’il est mélangé avec du vinaigre ou du bicarbonate de sodium. Vous verrez que le liquide devient rouge au contact du vinaigre ou du jus de citron, alors qu’il devient vert au contact du bicarbonate de soude (figure 9). Ce comportement est inhabituel et nous essayerons plus tard de l’expliquer.

Placer une certaine quantité de jus de chou rouge liquide dans un verre transparent. Ajoutez de l’eau jusqu’à remplir le verre à moitié. Maintenant ajoutez du vinaigre dans le verre et observer le changement de couleur de l’ensemble. Répétez l’expérience en ajoutant cette fois ci du bicarbonate de sodium au lieu du vinaigre. Dans ces deux cas aussi, vous verrez les changement de couleur que nous avons décrits.

Figure 9 – Jus de chou rouge mélange avec du
bicarbonate de sodium (à gauche) et avec du
vinaigre (à droite). En haut une goutte de jus
de chou rouge non mélangé.

Préparation de papier pH au chou rouge.
Coupez des morceaux de papier blanc absorbant – papier filtre – ou des morceaux de cartes en forme de rectangle et trempez les dans le jus de chou rouge de manière à ce qu’ils l’absorbent bien (figure 10). Après environ une demi heure, retirez les cartes et mettez les à sécher (figure 11). Pour le faire plus vite, vous pouvez aussi les sécher avec un sèche cheveu. Coupez les cartes en bandelettes (figure 12). Mettez de coté les cartes imbibées de jus de chou rouge qui ne sont pas utilisées tout de suite : elles peuvent se conserver quelques mois. Si vous les stockez dans une enveloppe fermée pour réduire l’oxydation, elles se conserveront encore plus longtemps. Mettez le jus restant dans une bouteille. Après quelques jours le jus s’oxyde et vous devrez le jeter. Pour le conserver plus longtemps conservez le au réfrigérateur.

Figure 10 – Imbibition des cartes
avec le jus de chou rouge.
 Figure 11 – Séchage des cartes. Figure 12 – Découpage des bandelettes.

 

 Figure 13 – Papier imbibé de jus de
chou rouge dans du jus de citron.

Figure 14 - Papier de imbibé de jus
de chou rouge dans une solution de bicarbonate de sodium.


DETERMINATION DU pH DE QUELQUES COMPOSES

Dans ce paragraphe, nous allons mesurer le pH de quelques substances de la vie courante. Nous allons le faire avec du papier tournesol et un pH- mètre (si possible). Nous allons aussi utiliser le papier imbibé de jus de chou rouge que nous avons préparé.

Dans le tableau suivant, notez les valeurs de pH que vous aurez trouvé pour chaque composé, en utilisant le papier tournesol et le pH-mètre. À l’aide de vos crayons de couleur indiquez la couleur observée sur le papier au jus de chou rouge.

 TABLE 1 - MESURE DU pH DE QUELQUES COMPOSES
COMPOSÉ pH (tournesol) pH
(pH-mètre)
COULEUR
(papier au jus de chou rouge)
eau distillée      
eau de robinet      
eau de pluie      
eau de Seltz      
vinaigre      
jus de citron      
vin
bière      
Cocacola      
lait      
solution saturée de bicarbonate de sodium      
Ammoniaque (20% sol. environ, à diluer avec trois volumes d’eau). À conserver dans une bouteille fermée.      
Aspirine normale (1 comprimé dans 20 ml d’eau distillée)      
Aspirine tamponnée (1 comprimé dans 20 ml d'eau distillée)      
shampoing      
savon      
Autres substances de la vie de tous les jours non dangereuses. N'utilisez pas d’acides ou de bases fortes parce qu’ils sont corrosives. N'utilisez pas de l’eau de Javel.      

MATERIEL

 
pH mètre si possible
papier tournesol un rouleau
papier au jus de chou rouges bandes
béchers ou pots en verre 20
baguette en verre ou en plastique 1


A la fin des mesures, comparez les valeurs obtenues avec le papier tournesol et le pH mètre.
Observez les couleurs correspondantes sur le papier imbibe de jus de chou rouge.
Soulignez les deux substances les plus acides et les deux substances les plus basiques.

Observations:
Vinaigre, citron et coca-cola sont de composés acides.
Bicarbonate de sodium et ammoniaques sont des substances basiques
L’eau distillée a un pH neutre.


 


ÉCHELLE DE COULEURS POUR LE JUS DE CHOU ROUGE

Regardons maintenant comment déterminer l’échelle de teinte du papier au jus de chou rouge (figure 15). La procédure consiste à préparer des solutions avec des valeurs entier de pH et à prendre des photos du papier pH avec une caméra digitale après leur immersion dans la solution. Avec un programme d’édition d’images, il sera facile de déterminer la couleur obtenue. Pour faire cette expérience il est nécessaire d’avoir un pH-mètre.

TABLE 2 - COMPOSÉS ET MATERIEL POUR DETERMINER L’ÉCHELLE DE TEINTE DU PAPIER pH AU JUS DE CHOU ROUGE.
eau de robinet  
citron vert  
Vinaigre de vin blanc  
Ammoniaque (20% sol. environ) en bouteille fermée.  
bicarbonate de sodium  
   
pH mètre si disponible
Solution tampon pH = 7 pour étalonner le pH-mètre  
papier tournesol l rouleau
papier imbibé de chou rouge bandelettes
bécher ou pots en verre 20
baguette en verre ou en plastique 1
caméra digitale ou scanner 1
ordinateur avec Excel ou un autre logiciel et un programme d’édition d’images. 1

 

À l’aide de la solution tampon de pH 7 et d’un tournevis étalonnez le pH-mètre.
Préparez une solution aqueuse de pH = 2. Dans ce but, utiliser un citron vert (le vinaigre n’est pas assez acide). Le diluer avec de l’eau jusqu’à obtenir la valeur de pH cité. Rinchez bien le pH-mètre avec de l’eau du robinet.
Immergez une bande de papier de chou rouge dans la solution de pH = 2, sortez la et après une minute prenez une photo. À la différence du papier tournesol, le papier au chou rouge a sa couleur avec un délai.
Préparez une solution aqueuse avec pH = 3. Dans ce but, vous pouvez utiliser le même jus de citron ou du vinaigre blanc. Diluez le avec de l’eau jusqu’à obtenir la bonne valeur d’acidité. Rincez le pH-mètre.
Immergez le papier au jus de chou rouge dans la solution de pH = 3, sortez le et après une minute prenez une photo.
Procédez de même avec des solutions de pH = 4, 5, 6, 7. pour la solution de pH =7, vous pouvez utiliser la solution tampon que vous utilisez pour étalonner le pH-mètre, ou encore de l’eau du robinet pourvu que vous ajustiez l’acidité avec du vinaigre ou du bicarbonate de sodium, pour obtenir la bonne valeur de pH.
En utilisant de l’ammoniaque diluée, préparez les solutions de pH = 8, 9, 10 et 11 et continuez à prendre des photos des bandes de papier au jus de chou immergées dans ces solutions.

Quand vous utiliséz de l’ammoniaque restez en plein air ou dans une pièce ventilée. La ventilation de la cuisine peut vous aider à éviter les vapeurs irritatives d’ammoniaque. Fermez la bouteille immédiatement après avoir pris la quantité nécessaire d’ammoniaque. N’essayez pas de faire les solutions de pH inférieur à 2 ou supérieur à 11, parce qu’elles sont dangereuses.

Avec un pH-mètre étalonné vérifiez le pH de la solution. Avant de passer d’une solution à l’autre, rincez l’électrode de l’instrument correctement avec de l’eau du robinet. Une fois la mesure faite, vérifiez le fonctionnement correct de l’appareil au moyen de la solution tampon.

Prenez les différentes photos dans les mêmes conditions d’éclairage. Pour éviter des problèmes dus à un défaut d’éclairement (i.e.: lumière de la lampe avec un filament) ou due à la discontinuité du spectre (certaines lampes fluorescente), vous pouvez faire ces photos à la lumière du soleil. Essayer d’éviter les reflets.
Un autre moyen d’enregistrer les couleurs de ce papier consiste à utiliser un scanner. Dans ce cas, n’oubliez pas de nettoyer la glace du scanner avant de mettre les papiers dessus. Dans notre cas, nous avons remarqué que notre scanner n’avait pas la même fidélité dans la retranscription des couleurs que la caméra digitale.

Avec un logiciel d’édition d’images, ouvrez une image à la fois et avec la pipette des couleurs, déterminez la couleur de chacun des papiers dans la zone qui a été immergés dans la solution. Exprimez cette couleur en fonction des valeurs des trois composantes RGB (rouge, verte et bleu). Il s'agit de trois numéros qui vont de 0 à 255 chacun. Faites une copie de la figure 15 et donnez lui un autre nom. Avec le programme d’édition d’image, remplacez ces couleurs avec celle que vous avez obtenues. Pour ce faire vous devrez modifier la palette de couleurs.

Très probablement vous obtiendrez une échelle de couleur avec des teintes avec de passages très irrégulièrs. Pour réduire ces irrégularités, pour chaque papier il est nécessaire de faire différentes mesures de couleur pour obtenir une valeur moyenne. Certains programmes vous autorisent à obtenir une valeur moyenne des couleurs d’un carrée de 5 x 5 pixels au lieu de la couleur d'un simple pixel. Avec Excel, tracez un diagramme des trois couleurs (RGB) en fonction du pH et avec ce même programme interpolez les données. L'échelle de couleurs sera plus régulière et plus fidèle aussi.

Si vous n'avez pas ni une caméra digitale nu un scanner, vous pouvez imiter les couleurs directement avec le programme d'édition d'images. Modifiez la palette des couleurs de l'échelle jusqu'à obtenir la meilleure correspondance possible avec les bandelettes.

Malheureusement l’échelle de teinte obtenue n’est vraie que pour des bandelettes fraîchement réalisées. En effet, avec le temps ces papiers vont s’oxyder, et on obtiendra une échelle de teinte différente. Si vous voulez, à un intervalle de temps d’un mois vous pouvez déterminer la couleur de l’échelle de couleur des papiers stockés pour décrire les changements par rapport à ceux fraîchement réalisés.

Réalisez l’échelle de couleur du papier tournesol et comparez là à celle affichée sur le paquet. Pourquoi refaire cette échelle alors qu’elle est imprimée sur le paquet? Nous l’avons fait et nous avons obtenu une échelle assez différente de celle imprimée sur le paquet. Peut être est ce dû au fait que nous l’avons acheté quelques années auparavant.

Pourquoi déterminer l’échelle de couleur du papier au jus de chou rouge alors qu’elle vous est donnée en figure 15 ?
Avant toute chose parce que c’est un exercice intéressant, et aussi parce qu’il se peut que votre chou rouge soit d’une variété différente du notre.

On peut préparer du papier pH avec d’autres composés végétaux. En été vous pouvez utiliser des mures et les baies de sureau. Déterminez l’échelle de couleur du papier préparé avec ces substances et essayez d’en évaluer la stabilité.

Maintenant que vous avez déterminé leur échelle de couleur, utilisez ces papiers pour mesurer le pH des mêmes substances que dans l’expérience précédente.


EST-CE MAGIQUE?


Dans un bécher mettez environ 100 mL d’eau et 3 gouttes de phénolphthaleine. La phénolphtaléine est un indicateur qui en général est incolore. Vous obtenez donc une solution incolore, comme l’eau (figure 16).

 

 

 



Figure 16 – Ajoutez 3 gouttes de phénolphtaléïne dans
100 mL d’eau. Vous obtenez alors une solution incolore


Avec un compte gouttes ajoutez quelques gouttes d’ammoniaque. Pour éviter les vapeurs irritantes, faire cette expérience en plein air ou dans une pièce ventilée avec les fenêtres ouvertes. Les personnes doivent garder 2 mètres de distance, et veiller à ne pas être à face au vent.

Après quelques gouttes, vous verrez que la solution change soudain de couleur et devient violet rose (figure 17). Ce phénomène et assez surprenant dans la mesure où tous les liquides utilises sont incolore et transparents, comme l’eau.
 

 

Figure 17 – En ajoutant de l’ammo-
niaque, la solution devient fuschia.


Maintenant ajoutez au liquide rose violet précédent, quelques gouttes de vinaigre. Que se passe-t-il ? le liquide redevient incolore (figure 18)!

 

 

 

 

Figure 18 – en ajoutant du vinaigre, la solution redevient
incolore. L’image illustre l’évolution de la coloration.

Le fait qu’un liquide coloré puisse se former à partir de liquides incolores et déjà quelque chose de surprenant, mais le fait qu’il redevienne incolore alors qu’on rajoute un liquide incolore comme le vinaigre est quelque chose de vraiment surprenant. Il est important d’éviter de faire croire aux enfants que la science est quelque chose de magique. Donc après quelques secondes d’étonnement de la part de ceux qui observent l’expérience, l’enseignant doit leur expliquer que ce qu’ils ont observé n’a rien à voir avec la magie, mais repose sur des phénomènes chimiques particuliers.

Il est donc important de leur expliquer que la phénolphtaléine à la propriété de devenir rose violet quand le pH de la solution a une valeur supérieure à 8,3. Cette valeur est celle que l’on obtient en mettant de l’ammoniaque quand vous voyez le liquide changer de couleur. Vous pouvez vérifier cette valeur expérimentalement à l’aide du papier tournesol ou encore mieux avec un pH mètre. Pour plus de précision la phénolphtaléine est incolore sous sa forme acide, lorsque le pH atteint une certaine valeur, il y a rupture de la molécule et disparition de hydrogènes acides, ce qui lui donne sa couleur pourpre typique. De la même manière que pour cette expérience regardez si les variations de couleur du jus de chou rouge sont réversibles.


LES INDICATEURS COLORÉS

Les indicateurs colorés sont des liquides qui changent de couleur avec le pH.

Tableau 3 - Indicateurs colorés
Indicateur Intervalle de changement de pH    Couleur de la forme acide Couleur de la forme basique
Bleu de thymol (1er virage) 1.2 - 2.8 rouge jaune
Orange de méthyl 3.1 - 4.4 rouge jaune
Rouge de méthyl 4.4 - 6.2 rouge jaune
Rouge de chlorophénol 5.4 - 6.8 jaune rouge
Bleu de bromothymol 6.2 -7.6 jaune bleu
Rouge de phénol 6.4 - 8.0 jaune rouge
Bleu de thymol  (2ème virage) 8.0 - 9.6 jaune bleu
Phenolphthaleine 8.0 - 10.0 incolore rouge
Jaune d’alirazine 10.0 -12.0 jaune vert
Autres indicateurs: http://chemistry.about.com/library/weekly/aa112201a.htm

En général ces substances sont des acides forts, qui ont une couleur sous leur forme acide et une autre sous leur forme basique. Quand le pH est au-delà d’une certaine valeur, les molécules d’acides se dissocie sous forme d’ions – forme dissociée ou basique de la molécule. Ces indicateurs sont souvent utilisés pour mesure l’acidité d’une solution. Dans le papier pH, souvent certaines de ces substances sont mélangées. En effet, le changement de couleur d’un indicateur ne se fait pas exactement à une valeur donnée de pH mais il a lieu progressivement sur un intervalle de valeurs – sur cet intervalle l’indicateur coloré change progressivement de couleur. Par exemple, la phénolphtaléine commence à changer de couleur quand le pH se situe autour de 8,3.


TAUX D’ACIDITE DU VINAIGRE

Pour cette expérience, nous allons utiliser des petites quantités de produit corrosif. Il est également nécessaire de posséder quelques connaissances de base en chimie. Il est donc préférable de la réaliser avec des élèves du lycée.

Tableau 4 – MATERIEL POUR LE TITRAGE DU VINAIGRE

NaOH (hydroxyde de sodium) 50 ml Solution à 0.1 mol/L. Acheter la solution toute prête. Cette solution n’est pas très dangereuse, mais il est nécessaire de s’assurer qu’elle n’atterrisse ni dans le yeux ni sur la peau et qu’elle ne soit pas ingérée. NE PAS TOUCHER de la soude caustique pure parce que c’est très dangereux!
vinaigre 50 ml Vinaigre 50 ml Vous pouvez également appliquer cette procédure au vinaigre rouge, mais c’est mieux d’utiliser du vinaigre blanc.
Phenolphthaleine 10 ml 1% en solution alcoolique
Eau distillée 500 ml  
Burette (tube gradué avec un robinet à son extrémité) 1 capacité = 25 ml
Support (potence et noix de support) 1
Matériel de fixation pour burette 1  
Bécher 1 capacité = 100 ml
Baguette en verre 1  
Eprouvette graduée 1 capacité = 50 ml
Pipette graduée 1 capacité = 5 ml
Entonnoir 1  
Lunettes de sécurité ou écran de protection 1 paire  
Gants 1 paire  
Blouse 1  

Le vinaigre est une substance dont l’acidité varie quelque peu parce qu’il peut contenir entre 4 et 6% d’acide acétique. Les fabricants de vinaigre et d’autres composés, doivent souvent déterminer précisément l’acidité de leurs produits. Titrer un vinaigre c’est déterminer la quantité d’acide acétique qu’il contient.

Dans l’eau, l’hydroxyde de sodium se dissocie comme cela: NaOH  à Na+ + OH-. Comme vous le savez, chaque ion OH- se combine avec un ion H+ disponible. En clair pour titrer un vinaigre vous devez ajouter une solution d’hydroxyde de sodium dont la concentration est connue précisément à la solution à titrer. L’ajout se fait jusqu’à neutralisation de l’excès d’ions H+ produit par l’acide acétique. Pour savoir quand le mélange est neutralisé, quelques gouttes d’un indicateur coloré adapté lui sont ajoutées. De cette manière, quand le mélange est neutralisé, tout à coup il changera de couleur. A cet instant la quantité de matière (nombre de mole) de NaOH ajoutée au vinaigre est exactement égale à la quantité d’acide acétique présente dans le vinaigre titre.

Ajoutez quelques gouttes de phénolphtaléine, un indicateur adapté à cette expérience, dans la solution de vinaigre. Puis ajoutez progressivement la solution à 0,1 mol/L de soude dans le liquide que l’on titre. Quand le pH de l’ensemble atteint le point d’équivalence, pour lequel tous les H+ présents dans la solution de départ sont neutralisés par autant d’ions OH- apportés par la solution de soude, la phénolphtaléine devient rose. Donc, dès que la solution de vinaigre commence à changer de couleur, vous devez relever la quantité d’hydroxyde de sodium utilisée pour neutraliser la solution. A partir du moment où on connaît le volume et la concentration de la solution d’hydroxyde de sodium ajoutée, on peut calculer simplement la concentration du vinaigre titré.

 

Figure 19 – Montage pour le titrage du vinaigre.

 Figure 20 – Des que le liquide dans le bécher
 change de couleur, arrêtez l’ajout de soude.

 Figure 21 – Relevez la quantité de
liquide utilisée pour le titrage.

 

PROCÉDURE
- versez 1.5 ml de vinaigre dans le bécher;
- diluez avec environ 50 mL d’eau distillée.
- ajoutez trois gouttes de phénolphtaléine (à cet instant la solution est incolore);
- portez des lunettes de sécurité, une blouse et une paire de gants;
- remplissez une burette avec la solution d’hydroxyde de sodium (soude) à 0,1 mol/L
- mettez au zéro le liquide dans la burette et fermez le robinet;
- mettez la solution à titrer sous la burette (figure 19);
- ajoutez doucement la solution d’hydroxyde de sodium dans la solution à titrer et mélangez avec la baguette en verre.
- dès que la solution à titrer devient rose et garde cette couleur, fermez le robinet de la burette (figure 20);
- relevez le volume de solution titrante ajouté (figure 21).

A ce moment, tout l’acide acétique présent dans la solution de départ a été neutralise par l’hydroxyde de sodium, selon l’équation suivante:

CH3COOH  +  NaOH  à CH3COONa  +  H2O

Cependant, rappelez vous que l’acide acétique se dissocie en ions: CH3COO-  et  H+ dans l’eau et que l’hydroxyde de sodium se dissocie en ions Na+ et OH- dans l’eau.

CALCULS
Imaginez que pour neutraliser la solution de vinaigre vous avez eu besoin de 14.5 ml de solution titrante. Etant donné que le nombre de molécules de NaOH utilisées et que le nombre de molécules d'acide neutralisées sont les mêmes, le nombre de moles présentes dans l'hydroxyde utilisé est pareil à celui des moles d'acide acétique présent dans la solution à titrer.

Le volume de solution titrante utilise est 14.5 ml. Comme la concentration de cette solution est de 0.1 mol/L, le nombre de mole utilisé est:

n = 0.1 x 0.0145 (ne pas oublier de convertir : 1ml = .001 litre)
n = 0.00145 mol
Il est possible d’obtenir le même résultat en résolvant la proportion suivante: V1 / n1 = V2 / n
où :
V1 = volume de référence de NaOH (1 litre);
n1 = nombre de mol présent dans un litre de solution titrante (0.1 mol);
V2 = volume de solution titrante utilisé (14.5 ml = 0.0145 litres);
n = nombre de mol utilisée (ce qu’on calcule).
La valeur obtenue correspond au nombre de moles présentes dans la solution titrante que nous avons utilise et au nombre de mol d’acide acétique présentes dans la solution à titrer. Pour connaître la concentration molaire (ramenée à un litre de vinaigre), nous pouvons utiliser la proportion suivante:

V1 / n1 = V2 / nx
où :
V1 = volume de vinaigre prélevé (ne pas oublier de convertir 1.5 ml = 0.0015 litres);
n1 = nombre de moles présentes dans V1 (0.00145 mol);
V2 = volume de référence (1 litre de vinaigre);
nx = quantité de matière présente dans un litre de vinaigre (à calculer).

nx = n1 x V2 / V1
nx = 0.00145 x 1000 / 1.5
nx = 0.97 mol
Si vous voulez connaitre la concentration massique de l’acide acétique (en g/L), vous devez multiplier le nombre de moles trouvé par la masse molaire de l’acide acétique qui est 60 g/mol.

C (massique) = nombre de moles x 60
C (massique) = 0.97 x 60
C (massique) = 58 g/l

Qui en terme de pourcentage correspond à une concentration de 5.8%.
La même procédure peut être suivie pour titrer d’autres substances acides comme le vin, la bière, etc… vous pouvez également titrer une solution basique de concentration inconnue. Dans ce cas, vous devez placer une solution acide de concentration connue dans la burette. Avec un pH mètre, mesurer le pH quand la solution à titrer change de couleur.

On peut se demander : « que se passe-t-il dans cette expérience si on utilise un indicateur coloré qui commence à virer à un pH de 8,3 alors qu’on devrait en utiliser un qui vire à pH = 7 ? La réponse est que dans un acide faible, comme l’acide acétique, le point d’équivalence est situé pour des pH élevés. Dans le cas de l’acide acétique le pH à l’équivalence est de 8,3.

Nous avons utilise une méthode de titrage que l’on qualifie de “volumétrique”, mais vous pouvez aussi faire des titrages à l’aide d’une balance. Dans ce cas la on parle de titrage « gravimétrique ». http://www.woodrow.org/teachers/chemistry/institutes/1986/exp24.html  titrage des acides et bases sans burette.


LE pH DES SAVONS

Un savon est produit par réaction d’un corps gras avec un hydroxyde de sodium ou de potassium. En chimie, les corps gras s’appellent des acides gras, alors que l’hydroxyde de sodium (NaOH) et l’hydroxyde de potassium (KOH) sont réputés pour être des bases extrêmement fortes. La réaction qui a lieu entre ces substances produit un sel : le savon. En général, le savon a une action basique. Particulièrement en été, ces savons contribuent à dessécher la peau des mains, à la rendre rugueuse, et parfois même à la faire saigner. Ceci est aussi sûrement du au fait que la peau a un pH acide, aux alentours de 5,5. L’utilisation fréquente de savon, mais aussi de détergents tend à augmenter le pH de la peau et à l’abîmer. Pour réduire ce problème des savons neutres et parfois même acides sont produits. Si vous lavez de la vaisselle, il est donc préférable de porter des gants. Pour éviter les problèmes aux mains, il peut être intéressant d’utiliser en plus d’onguents adaptés quelques gouttes de citron.

Vérifiez le pH du savon que vous avez à la maison. Dans ce but, mettez quelques gouttes d’eau sur le savon à tester. Avec un doigt, racler un peu le savon pour le mettre en solution et imbiber en un bout de papier tournesol. Si le savon est basique, le papier devient bleu, si le savon est acide, le papier devient rouge. Vérifiez aussi que pH des détergents que vous utilisez pour laver la vaisselle, le shampoing, les crèmes et autre produits de beauté.


À LA RECHERCHE D’INDICATEURS COLORÉS NATURELS

Ne vous est-il jamais arrivé de voir une feuille de thé changer de couleur quand vous ajoutez du citron? Par exemple le thé à la mauve peut être bleu clair (cela dépend aussi du producteur du sachet de thé que vous utilisez). En ajoutant des gouttes de jus de citron il deviendra incolore et avec quelques gouttes supplémentaires il deviendra rose.

Beaucoup de légumes, comme les plantes utilisées pour le thé, contiennent des substances naturelles qui sont de très bons indicateurs. Comme nous l’avons vu plus haut c’est le cas du jus de chou rouge. En général, ces substances sont des anthocyanes, composés qui ont souvent des couleurs rouge pourpre ou violettes. Elles sont aussi présentes dans les fruits comme les myrtilles, les grains de raisin, les mures et les baies de sureau. Les pétales de fleurs peuvent aussi changer de couleur avec le pH, comme la fleur de pavot et le bluet.

Cherchez des substances qui ont les propriétés d’indicateur coloré et décrivez leurs caractéristiques. Essayez certains de ces indicateurs. Vérifiez que la couleur de leur solution est réversible. Si c’est possible essayer d’obtenir leur échelle de teinte. Mettez quelques pétales de rose dans un plat avec une solution aqueuse acide et d’autres pétales dans une solution aqueuse basique. Essayer avec les pétales d’autres fleurs.


CONCLUSION

Avec ces expériences, vous avez découvert qu’il existent des substances acides et des substances basiques. Elles réagissent entre elles en formant des sels. Le degré d’acidité s’exprime en unité de pH. Pour mesurer ce taux d’acidité vous pouvez utiliser du papier pH comme le papier tournesol, des indicateurs colorés comme la phénolphtaléine ou un pH mètre électronique. Beaucoup d’autres composés naturels ont comme propriété de changer de couleur en fonction du taux d’acidité de l’environnement. Nous avons utilisé le jus de chou rouge comme indicateur coloré et nous avons ainsi obtenu du papier pH. Nous avons déterminé son échelle de couleur. Vous avez vu comment la phénolphtaléine changeait de couleur quand le pH passait au dessus d’une certaine limite. Nous avons exploité les propriétés de cet indicateur pour déterminer avec précision le taux d’acidité du vinaigre. Vous pouvez continuer les expériences de ce type en dosant d’autres liquide, en regardant quels sont les indicateurs colorés parmi les plantes aromatiques, les fleurs, les fruits, les baies etc.

Comme vous le savez, le but dans lequel nous proposons des activités n’est pas seulement pour l’amusement mais aussi pour éveiller la curiosité qui stimulera ensuite des études plus approfondies sur ce que nous avons développé. Pour cette raison, nous espérons que vous ne vous limiterez pas aux aspects opérationnels de ces expériences, mais essayer aussi de trouver un moment pour étudier un texte de chimie inorganique pour acquérir leur concepts de base. La connaissance que vous acquerrez vous permettra également de continuer avec des expériences de ce genre, allant plus loin dans l'amusement et la connaissance. En effet, il est évident que vous pouvez mieux profiter d’activités de ce genre, quand vous aurez appris ce que sont les atomes, les molécules, la valence, les différents types de solutions, la dissociation électrolytique, et d’autres concepts de bases de la chimie. Dans la bibliographie vous trouverez des références qui peuvent vous aider à augmenter vos connaissances sur le sujet passionnant qu’est la chimie.


BIBLIOGRAPHIE

http://fr.wikipedia.org/wiki/Indicateur_de_pH  Indicateur de pH, Wikipedia
http://fr.wikipedia.org/wiki/Anthocyane  Anthocyane, Wikipedia
http://www.ac-nantes.fr:8080/peda/disc/scphy/dochtml/3ieme/chouroug/index.htm  L'eau de chou rouge c'est magique!
http://www.col-kochersberg-truchtersheim.ac-strasbourg.fr/pages/exp01.php  Le chou rouge : un indicateur d'acidité
http://gdsa29.free.fr/doc/doc_ress/titrage_vinaigre.pdf  Titrage du vinaigre avec le chou rouge
http://membres.lycos.fr/mourad/essai.html  Une thèse sur les anthocyanes

http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/acidbase/faq.shtml#naturalindicator  Acids and bases: Frequently asked questions
http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/acidbase/faq/household-indicators.shtml  What household substances can be used as acid/base indicators?
http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/features/water2wine.shtml  The molecular basis of indicator color changes
http://scifun.chem.wisc.edu/HomeExpts/ACIDBASE.html  Exploring Acids and Bases
http://www.geocities.com/CapeCanaveral/Hall/1410/lab-C-08.html  Making an acid-base indicator
http://chemistry.about.com/library/weekly/aa012803a.htm  How to Make Red Cabbage pH Indicator

Recherches dans l'Internet: "chou rouge" indicateur; indicateurs acide base; anthocyanes; titrage vinaigre, redd cabbage, titration, acid base indicators, anthocyanins.
 


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